深入解析信号量（Semaphore）与互斥锁（Mutex）的原理与应用

互斥锁&＃xff08;英语&＃xff1a;英语&＃xff1a;Mutual exclusion&＃xff0c;缩写 Mutex&＃xff09;是一种用于多线程编程中&＃xff0c;防止两条线程同时对同一公共资源&＃xff08;比如全局变量&＃xff09;进行读写的机制。该目的通过将代码切片成一个一个的临界区域&＃xff08;critical section&＃xff09;达成。临界区域指的是一块对公共资源进行访问的代码&＃xff0c;并非一种机制或是算法。一个程序、进程、线程可以拥有多个临界区域&＃xff0c;但是并不一定会应用互斥锁。

需要此机制的资源的例子有&＃xff1a;旗标、队列、计数器、中断处理程序等用于在多条并行运行的代码间传递数据、同步状态等的资源。维护这些资源的同步、一致和完整是很困难的&＃xff0c;因为一条线程可能在任何一个时刻被暂停&＃xff08;休眠&＃xff09;或者恢复&＃xff08;唤醒&＃xff09;。

例如&＃xff1a;一段代码&＃xff08;甲&＃xff09;正在分步修改一块数据。这时&＃xff0c;另一条线程&＃xff08;乙&＃xff09;由于一些原因被唤醒。如果乙此时去读取甲正在修改的数据&＃xff0c;而甲碰巧还没有完成整个修改过程&＃xff0c;这个时候这块数据的状态就处在极大的不确定状态中&＃xff0c;读取到的数据当然也是有问题的。更严重的情况是乙也往这块地方写数据&＃xff0c;这样的一来&＃xff0c;后果将变得不可收拾。因此&＃xff0c;多个线程间共享的数据必须被保护。达到这个目的的方法&＃xff0c;就是确保同一时间只有一个临界区域处于运行状态&＃xff0c;而其他的临界区域&＃xff0c;无论是读是写&＃xff0c;都必须被挂起并且不能获得运行机会。

一、Semaphore&＃xff08;旗语&＃xff09;

1. 信号量是一个非负整数&＃xff0c;具有两种原子操作:

a. P操作&＃xff1a;

也称Down操作。等待信号量变为正数&＃xff0c;而后减少信号量&＃xff1b;等待信号量的值变为正数&＃xff0c;而后减少信号量的值&＃xff0c;并将此进程列入等待进程列表&＃xff0c;阻塞当前进程。

b. V操作&＃xff1a;也称Up操作。增加信号量&＃xff0c;唤醒等待队列中的进程。

V操作增加信号量的值&＃xff0c;并从等待队列中&＃xff0c;去除队列顶部的进程&＃xff0c;唤醒其继续执行。

二、Mutex&＃xff08;互斥&＃xff09;

1. 一个Lock被确定的一个线程拥有&＃xff0c;只有拥有者线程才能操作Lock&＃xff1a;

2. Acquire操作&＃xff1a;
请求一个Lock&＃xff0c;该Lock必须由当前线程拥有。使得当前线程进入挂起状态&＃xff0c;直到该Lock被释放。

二、区别和联系

两者最大区别&＃xff1a;信号量可以允许多个线程进入临界区&＃xff0c;而互斥体只允许一个线程进入临界区。

1. 初始状态不一样&＃xff1a;Mutex的初始值是1&＃xff08;表示锁可用&＃xff09;&＃xff0c;而Semaphore的初始值是0&＃xff0c;随后的操作基本一样。

2. 用法不一样&＃xff1a;Mutex的使用者必须为同一个线程&＃xff0c;即必须成对使用。而Semaphore可以由不同的线程进行P和V操作&＃xff0c;即可以由一个线程不停的P一个资源&＃xff0c;而另一个线程不停地V一个资源&＃xff0c;故可以应用于生产者-消费者模型等资源同步的场合。因此&＃xff0c;Mutex又不同于一个二值的Semaphore。

四、理解Semaphore和Mutex
Mutex是一把钥匙&＃xff0c;一个人拿了就可进入一个房间&＃xff0c;出来的时候把钥匙交给队列的第一个。一般的用法是用于串行化对critical section代码的访问&＃xff0c;保证这段代码不会被并行的运行。
Semaphore是一件可以容纳N人的房间&＃xff0c;如果人不满就可以进去&＃xff0c;如果人满了&＃xff0c;就要等待有人出来。对于N&＃61;1的情况&＃xff0c;称为binary semaphore。一般的用法是&＃xff0c;用于限制对于某一资源的同时访问。

建议mutex只用于保护critical section。而semaphore则用于保护某变量&＃xff0c;或者同步。